Tirapazamine

一句话总结 英国格拉斯哥大学Ross S. Forgan系统梳理生物医用纳米 MOF，完整阐述合成、后修饰、载药、理化表征、体外细胞、体内动物实验的标准操作与常见误区，总结 MOF 在药物递送、多模态成像、光 / 放射联合治疗方向进展，剖析可重复性难题、生物介质稳定性、临床转化障碍，并对疫苗、免疫治疗等新兴方向做出展望。相关工作以“etal–organic frameworks for biological applications”为题发表在Nature Reviews Methods Primers。 拟解决的关键科学问题 金属‑有机框架具备高比表面积、孔道可调、易于后修饰的优势，在药物装载、生物成像、肿瘤治疗领域展现巨大潜力，已有 MOF 进入 II 期人体临床试验。但该领域大量研究存在实验流程不规范、表征不完整、对照缺失、数据难以复现的突出问题。多数论文侧重性能展示，缺少从材料合成到生物评价的标准化实验指导。纳米 MOF 在生物体液中稳定性、蛋白冠效应、体内降解与长期生物安全性仍存在诸多未知。如何建立统一表征规范、规避实验假象、弥合实验室基础研究与临床转化之间的鸿沟，是推动生物 MOF 向前发展亟待解决的关键问题。 综述方法 该 Primer 综述系统归纳生物 MOF 整套实验流程：溶剂热 / 微波 / 机械化学等方法制备纳米尺度 MOF，通过调制自组装调控颗粒尺寸；采用共价、配位方式开展外表面后修饰；采用原位合成、缺陷负载、后渗透、机械化学等多种策略实现药物 / 生物分子装载；综合 PXRD、气体吸附、电镜、XPS、ICP、热重、光谱完成全套理化表征；借助离心 / 透析法开展药物释放研究；开展细胞摄取、细胞毒性体外评价，再开展小鼠等模式动物体内生物分布、安全性评估；结合同位素标记、多种成像手段解析材料体内行为，同时强调设置完备对照组、规范统计分析、原始数据归档。 全文内容 面向生物医学应用的金属‑有机框架 摘要 金属‑有机框架（MOF）已经成为纳米医学领域极具发展潜力的新型候选材料，目前第一款 MOF 材料已经进入人体 II 期临床试验。MOF 具备一系列优异特性，适用于药物递送、生物成像以及新型治疗模式，并且常常可以实现多种功能一体化。本教程综述概述 MOF 在生物医学中的各类应用，重点阐述药物递送与生物成像，同时介绍其化学与结构多功能性如何推动新兴治疗手段与全新生物应用的发展。本文探讨合成、表征与实际应用中的最佳实践，同时讨论当前存在的可复现性难题与应用局限，最后对该领域做出展望。 目录章节 引言、实验部分、结果部分、应用部分、可复现性与数据归档、局限性与优化策略、展望 引言 纳米技术能够提升多种疾病的诊断与治疗水平。在药物递送领域，利用纳米颗粒实现药物增溶、稳定以及靶向特定药物活性分子（API）已经得到广泛应用。药物递送系统（DDS）主要分为两大类：柔性有机体系与硬质无机体系。 有机类药物递送系统大多以聚合物为基体，在水相中形成纳米组装体，可以包封或者共价偶联药物活性分子。这类材料生物相容性与体内清除效果较好，但是会和免疫系统发生相互作用，药物负载容量往往有限。 与之相比，多孔无机体系，例如沸石、介孔二氧化硅，以及插层型材料，凭借巨大的内部比表面积实现高载药量。非多孔无机纳米材料，如贵金属、金属氧化物纳米颗粒，拥有独特的物理、磁学、电子性质。总体而言，无机纳米颗粒普遍存在胶体稳定性问题，金属单元的毒性风险也不容忽视。 金属‑有机框架（MOF）是由金属离子或者金属簇（常被称作次级构筑单元 SBU）通过有机配体相互连接形成的多孔配位网络。合理选择金属与配体，定制拓扑结构与孔道结构，可以实现最优的药物装载与释放性能。为进一步提升载药量，药物活性分子也可以直接整合进入 MOF 骨架之中。 不同于其他硬质无机材料，MOF 可以调控金属‑配体键的动力学不稳定性，实现可控降解，分解为金属组分与有机配体。如果材料本身具备良好生物相容性，只要降解不会造成局部金属离子浓度急剧升高，就可以实现低毒条件下的体内清除。MOF 具备极强的功能拓展能力，可以借助金属 / 金属簇的配位化学，或是在有机配体上共价接枝实现后修饰（图 1a）。MOF 也可以和其他纳米材料复合，例如脂质体、天然 / 合成聚合物、水凝胶，或者在贵金属纳米颗粒表面包覆 MOF。 MOF 在药物递送与生物成像方向已经得到学术界大量关注，在药物结合释放、治疗性气体递送方面展现良好前景。MOF 的功能不局限于药物递送；例如 Mn²⁺、Gd³⁺构筑的 MOF 可以作为核磁共振 MRI 造影剂，实现同一套材料多功能集成。 早期对纳米 MOF（nanoMOFs）尤其是 MIL‑100 (Fe) 的研究证实，该类材料具备高载药量、生物相容性，同时适用于 MRI 成像。MOF 合成稳定性、药物释放机理等一系列挑战，推动研究转向生物友好型 MOF（bioMOF），例如 Fe³⁺、Zr⁴⁺、Hf⁴⁺金属基 MOF，兼顾化学稳定性与生物相容性。锌基 MOF，尤其是类沸石咪唑框架 ZIF 系列，凭借功能多样性以及与生物分子良好的兼容性得到广泛研究。 MOF 的结构可调控性拓展了其应用边界（图 1b），包括各类成像模式，也就是诊疗一体化平台，以及光动力治疗 PDT、光热治疗、化学动力学治疗等新兴治疗策略。该领域发展十分迅速，2018 年第一款纳米 MOF 已经进入人体临床试验，用于放疗‑放射动力学 RT‑RDT 联合治疗。但 MOF 进一步临床转化，必须解决材料在生物流体环境下的稳定性难题。 本教程综述介绍纳米 MOF 用于药物递送的基础原理，阐述验证 MOF 基药物递送体系药效所需考虑的各类实验要点，结合相关文献案例加以说明。同时介绍 MOF 的化学结构多功能性带来的其他技术能力，包括生物成像与新型治疗手段。本文阐述纳米 MOF 以及制剂的表征最佳实践，提升实验可复现性的关键考量，分析现存局限与解决思路，最后给出领域展望。 图 1｜基于组成的金属‑有机框架生物医学应用总览示意图。a，药物递送；b，更加广义的生物医学应用。ROS：活性氧。 实验部分 纳米 MOF 筛选的实际考量 MOF 的金属‑配体组合理论上近乎无穷，但进入临床前研究的 MOF 结构数量仍然有限。理想的 MOF 纳米载体（图 2）需要具备高载药能力、可控释放行为、化学稳定性、低毒性、易于功能化改性，实现良好生物相容性与生物利用度，并且可以遵循绿色化学原则实现规模化合成。 想要实现高载药量，需要合理选择配体，利用金属配位几何决定框架拓扑。可以利用皮尔逊软硬酸碱理论预判 MOF 稳定性：硬金属（Ti⁴⁺、Zr⁴⁺、Cr³⁺、Al³⁺、Fe³⁺）搭配硬有机配体（膦酸根、羧酸根），软金属（Cu²⁺、Zn²⁺）搭配软有机配体（氮唑类配体），形成的配位键稳定性更强。 但部分理论预测化学稳定的 MOF，在生物流体中会快速降解，主要原因是磷酸盐等硬碱浓度较高，会带来潜在毒理风险。如果纳米 MOF 本身组分具备治疗活性，快速降解反而是有利特性。也可以通过表面修饰保护 MOF 免受化学侵蚀：例如在金属簇位点配位磷酸盐饱和不饱和配位点；聚合物包覆通过空间位阻保护金属簇免受亲核进攻。毒性评估需要考量金属的体内氧化还原活性、有机配体组分，以此评估生物相容性。 图 2｜面向特定生物应用筛选金属‑有机框架时需要综合考量实际因素与合成因素。材料组分、生物相容性、化学稳定性、功能化、孔径与客体尺寸匹配度、孔化学性质，需要和尺寸可控合成（适配生物应用粒径区间）、后合成载药 / 功能化的正交化学相互平衡；同时兼顾外表面改性、刺激响应释放、胶体稳定性、靶向基团；还要考虑合成可放大、可复现、纳米颗粒成型、颗粒尺寸与分散性。 纳米 MOF 合成的实际考量 科研中 MOF 纳米载体通常将金属盐与有机配体，在 N,N‑二甲基甲酰胺、水等极性溶剂中，溶剂热 / 水热条件下，中高压长时间（约 24 小时）反应制备。药物递送领域优先选用水这类生物友好溶剂，但容易得到无定形或者半无定形产物。因此，彻底去除合成过程残留有害溶剂对生物应用至关重要。 调控温度、能量输入（微波、超声、机械化学、电化学）、反应时间、反应物计量比、pH 可以调控纳米 MOF 晶体生长。不存在普适合成方法得到纳米颗粒，合成工艺需要根据目标 MOF 金属‑配体配位化学量身定制。 消耗局部金属离子浓度可以捕获纳米晶，实现手段包括过量配体、快速微波加热、提升体系 pH。调制自组装策略，即在合成体系加入竞争单齿配体，实现成核可控生长，得到结晶度高、单分散纳米颗粒。配位调制指调制剂和金属离子发生竞争配位、预组织 SBU；当调制剂 pKa 低于配体 pKa，会通过表面封端诱导纳米颗粒生成，同时伴随缺陷产生。调制剂同样会改变体系表观 pH；高 pH 加速配体去质子化、促进成核，得到更小颗粒；低 pH 一般颗粒更大，粒径分布更宽。也可以加入聚合物、表面活性剂调控 MOF 形貌尺寸，实现异相成核生长。 颗粒尺寸选择取决于应用与给药途径；肠胃外注射需要颗粒小于 200 nm，保障血液循环时间；吸入给药允许更大颗粒。 利用外表面功能化 纳米颗粒的外表面，决定材料与生物体系的化学相互作用以及生理应答。对纳米 MOF 开展定向后合成表面改性，可以调控胶体与化学稳定性、细胞摄取、分子识别、可控客体释放、光学成像能力、生物利用度以及加工性能。表 1 总结外表面改性策略以及对应的效果，分为共价偶联、配位功能化。 共价偶联利用有机配体上的反应基团，或是合成过程引入的官能团；配位功能化作用于可接触的表面金属位点，该位点容易和配位锚固基团发生相互作用。非特异性静电相互作用也可以使用，但对 pH、温度、颗粒尺寸变化十分敏感，包覆稳定性与合成可复现性较差。 设计外表面配体，分子尺寸大于 MOF 孔窗口，依靠空间位阻让修饰只发生在外表面，保留内部孔道可及性。常用无毒配体包括聚乙二醇 PEG、肝素，生物大分子如多肽、蛋白质、糖类、核酸、脂质。 表 1 生物应用金属‑有机框架不同外表面改性示例 药物装载 高效药物包封是纳米 MOF 生物医学应用的核心驱动力。装载策略取决于药物的理化性质：分子尺寸、电荷、稳定性、亲疏水性。客体分子可以在 MOF 合成过程直接引入骨架，也可以后合成渗透，包括多步包封、高压、机械化学手段（图 3）。 作为 MOF 组成组分引入药物 / 活性分子 带有羧基、氨基等配位基团的活性分子，直接作为构筑有机配体合成生物 MOF，省去单独载药步骤。氨基酸、多肽、蛋白、核苷、糖类、卟啉均可以作为骨架组分。例如 Fe³⁺‑烟酸、Zn²⁺‑壬二酸、Zn²⁺‑姜黄素体系。当金属与有机药物组分均具备生物活性，纳米颗粒内有机药物占比很高，可以实现协同治疗效果。药物直接作为配体不一定需要高孔隙；多孔 bioMOF 还可以后合成再装入额外药物。 另一种策略：合成时将药物活性分子作为配位调制剂，捕获在缺陷位点，同时保留母体 MOF 孔隙。缺陷负载策略可以在 UiO‑66 骨架最多配位三种药物，第四种药物后合成装入孔道。但该方法局限于带有合适配位官能团的药物分子。 一锅法合成原位装载 原位装载将 MOF 合成和客体包封一步完成，条件温和，产物粒径分布窄、结晶度优良。例如阿霉素前药在水体系中和硝酸锌、2‑甲基咪唑搅拌 5 分钟直接封装进入 ZIF‑8。该方法同样适用于尺寸大于 MOF 孔窗口的客体；共沉淀法室温不搅拌孵育，把蛋白自发包埋进 MOF。大量研究进一步探索从分子、蛋白到病毒、细胞、细菌各类生物实体封装进 MOF 外壳。 后合成装载 绝大多数药物活性分子需要采用后合成装载，避免合成条件破坏脆弱药物活性，省去合成后复杂纯化。多步包封：先合成、活化 MOF，再浸渍药物溶液实现药物渗透。活化至关重要，除去孔道未反应原料、溶剂，最大化载药量。匹配 MOF 孔窗口与药物分子尺寸，对包封效率十分关键。 机械化学合成在工业化生产有前景，快速、无溶剂、环境友好，MOF 合成与药物装载一步机械力触发，不再受客体‑MOF 尺寸匹配限制。但机械压力会降低结晶度，客体被坍塌骨架截留，也会造成颗粒团聚、粒径增大。 规模化制备 临床转化需要稳健、可复现的制备工艺，药物递送不需要气体吸附领域那样超大生产规模。溶剂热合成工艺成熟可放大，但每个 MOF 都要单独优化合成条件，耗时。微波、超声辅助溶剂热可以快速、均一制备大尺寸单分散纳米颗粒。室温无溶剂机械化学合成成本低，但粒径调控能力有限。连续流工艺可以工业尺度精准调控颗粒尺寸形貌。 纳米 MOF 可以干粉储存，也可以悬浮在有机溶剂或者水相中。但纳米 MOF 干燥容易发生不可逆团聚，合适的表面改性可以规避该问题；冻干或者悬浮储存，都可以实现长期储存稳定。 图 3｜纳米金属‑有机框架客体装载与释放。a，纳米 MOF 多种药物装载策略示意图；b，同一样品多次离心取样的药物释放实验方案；c，分多份独立样品分别离心取样的释放实验方案；d，透析法药物释放实验方案；e，不同释放模式的释放曲线示例。API：药物活性分子。 结果部分 开展生物实验之前，需要先完成 MOF 合成与理化性能优化。必须全面理化表征，保障材料生物可降解、生物相容、生物利用度、高载药效率、可控释放。核心表征包括衍射解析结构、组分分析、孔隙测试、颗粒尺寸、胶体稳定性；针对特定应用补充专属表征，例如 MRI 造影剂需要弛豫性能、磁学性能测试。 bulk 本体表征很常用，但对单个纳米颗粒表征难度大；光谱结合电镜的组合手段十分重要。 通用理化表征 不同批次合成产物存在差异，即便是使用已发表成熟合成方案，每一批样品在载药、功能化前后，都必须完整表征，保障构‑效‑活性关系清晰，动物实验伦理合规。表 2 汇总常用分析手段，图 4 给出纳米 MOF 标准表征工作流程。 表 2 生物应用纳米金属‑有机框架常用分析技术 晶体与物相纯度一般依靠粉末 X 射线衍射；结合中子散射、小角 X 射线散射评估孔填充、缺陷。电子衍射越来越多用于解析新型纳米 MOF 原子结构。气体吸附测试孔隙，和理论吸附量对比评估物相纯度与孔道可接触性。 定量组分手段包括燃烧分析、ICP 系列；配合热重分析，尤其适合缺陷、功能化、载药 MOF。消化样品之后用 NMR、HPLC 测定有机组分比例，结合元素分析，依靠热分解数学计算得到精确化学组成。 FT‑IR、拉曼、紫外‑可见、荧光光谱确认配体、残留溶剂、客体、表面官能团；但大多属于定性手段。XPS、EXAFS 解析金属氧化态与局域配位；XPS 是表面敏感技术，EXAFS 一般需要同步辐射光源。高角环形暗场扫描透射电镜结合 EDX，是表征单个载药纳米 MOF，研究生物介质中材料演变的强大工具。通常需要多种技术互相佐证，完成完整表征。 颗粒形貌尺寸：电镜定性观测，图像统计得到粒径分布直方图。生物医药领域，动态光散射 DLS 十分关键，模拟生理条件下长时间监测流体力学粒径，评价胶体稳定性。Zeta 电位表征表面电荷，和胶体稳定性直接相关。 表面功能化定性用 FT‑IR、拉曼；配位接枝会出现特征振动峰位移，共价接枝可通过消化样品质谱、固体 / 溶液 NMR 确认。表面引入无孔物质会降低重量气体吸附，但总体孔隙应当保留；吸附大幅下降代表表面试剂堵塞内部孔道。 化学与胶体稳定性：模拟生理条件下评估 MOF 稳定性，可以预判体内命运与药物释放行为。细胞培养基中相比纯水，纳米 MOF 分散性会变好，原因是蛋白冠形成，可以用 FT‑IR、紫外‑可见跟踪蛋白冠演变。一般采用不同 pH、不同浓度缓冲液；通过 UV‑Vis、HPLC 监测配体释放，ICP 监测金属溶出，量化 MOF 降解；分析残余产物理解降解机理；DLS 在多种溶剂、缓冲液评价胶体稳定性随时间变化。 图 4｜面向生物应用纳米金属‑有机框架推荐理化表征工作流程。合成之后依次测定结构 / 物相纯度、物理性质、组分、稳定性；结晶性（PXRD）；孔隙（气体吸附 / 模拟）；形貌尺寸（电镜，标尺 50 nm）；定性（各类光谱）；定量（ICP、TGA、EDX）；胶体（DLS）；化学降解（HPLC、ICP）；后续开展功能测试、载药、表面改性、生物学测试。DLS：动态光散射；EDX：能量色散 X 射线谱；HPLC：高效液相色谱；ICP：电感耦合等离子体；PXRD：粉末 X 射线衍射；TGA：热重分析。 药物装载与释放评价 药物装载的评价方法 不同文献对载药的术语并不统一：包封效率 EE%，也叫 payload 效率；药物负载量 DL%，也叫 payload。 测定 MOF 内药物含量分为直接法、间接法。最常用间接法：离心分离上清液，测定未被装载的药物。但是离心过程药物泄漏、MOF 颗粒不完全沉淀，上清液悬浮纳米颗粒，离心参数不合适，都会带来测试假象。 有机分子常用 HPLC，灵敏度高，区分混合物组分；金属类药物优先 ICP。阿霉素等荧光药物可以使用紫外‑可见、荧光光谱。 直接测定：消化载药 MOF 再测定。含金属药物消化后 ICP 测试比较可行；有机药物如果在 MOF 消解条件下不稳定，难度较高；消解不完全产生无机残渣，药物提取不足，低估载药量。热重分析依靠特定温度区间失重估算客体含量，但杂质、残留溶剂、MOF 与药物热分解区间重叠，会带来误差。多数文献缺少未包封药物和已包封药物的完整质量平衡分析。 载药后 MOF 表征：和空白 MOF 一样做全套理化表征，确认装载没有破坏结构、形貌完整性。药物定位（孔内还是表面吸附）难度很高；FT‑IR、拉曼可以观察客体‑骨架相互作用；紫外‑可见漫反射光谱看药物聚集状态；电镜看载药前后形貌；Zeta 电位、XPS、粒径分析判断表面吸附药物；对比载药前后气体吸附，判断客体是孔道内部还是表面；固体 NMR 在分子层面解析客体位置；高分辨电镜结合 EDX 元素 mapping 可视化。单颗粒表征对质量控制意义重大。 药物释放研究手段 三类主流释放测试方案：1、同一批悬浮液反复离心，取出上清补充新鲜介质；缺点是反复离心会造成不可逆团聚。2、分装多份平行样品，不同时间点分别离心取样，可以规避团聚、更换介质带来的假象。3、透析袋法：样品装入透析袋，测试外部透析液。弊端：药物吸附在透析膜、膜扩散受限成为控速步骤。 诸多因素影响释放行为：pH、载药量（高负载药物分子聚集，反而抑制释放）、药物所处位置、温度、缓冲液组分。突释，即短时间大量药物释放，应当尽量避免；弱主客体相互作用、孔道尺寸不合适、材料快速降解，都会造成突释。PBS 缓冲液中磷酸根会竞争金属位点配体，加速 MOF 降解与药物释放；可以通过表面包覆、金属位点配位磷酸根抑制突释。释放结束后，应当对沉淀固体残留物做成分分析；很多文章忽略释放后固体药物残留，缺少质量平衡。 不同文献释放实验条件千差万别：MOF 浓度、payload、释放介质、pH、温度、搅拌方式、测试方法，跨文献对比难度很大。因此，实验条件必须完整记录，同时考量 MOF 降解、孔内药物聚集等全部影响因素。 胞内摄取与生物相容性 细胞摄取 纳米 MOF 和细胞相互作用理解不足，阻碍临床转化。细胞模型分为永生化细胞系（如 HeLa，易培养，广泛用于初筛）、原代细胞（取自人体组织，更贴近体内真实情况）、干细胞类可分化细胞。模型选择取决于研究目标与实验条件。器官芯片、类器官这类三维培养模型越来越重要，用于评估药效、细胞毒性、客体递送。 纳米 MOF 穿过生物屏障取决于颗粒尺寸、形貌、表面化学，显著决定材料最终命运。体外实验简单低成本，广泛研究上述影响因素。常用 ICP 元素分析、荧光法定量细胞摄取；ICP 适合定量细胞裂解液中金属，体外细胞、体内脏器组织都适用。 共聚焦激光扫描显微镜 CLSM，观察荧光标记纳米 MOF 在细胞内部的定位，可以三维重构；定性观察，不能做定量。 流式细胞仪高通量统计细胞与颗粒相互作用，依靠散射信号 + 荧光；可以同时评估细胞凋亡、坏死；Annexin V‑PI 染色分别标记凋亡、坏死细胞；也可以检测胞内活性氧。流式细胞仪的优势是可以同时得到摄取量与细胞毒性。 体外生物相容性与细胞毒性 MOF 细胞毒性由化学组成、粒径、团聚、表面电荷、表面化学共同决定；毒性和浓度、孵育时间强相关，一般设置多组浓度梯度，孵育 24‑72 小时。生物流体中形成蛋白冠会改变表面化学，改变细胞摄取与毒性。 MTT、MTS、CCK‑8、AlamarBlue 这类比色检测，依靠活细胞代谢活性；酶标仪读取吸光度 / 荧光。注意：检测试剂和纳米材料之间会发生干扰，带来结果偏差。LDH 乳酸脱氢酶测试评估细胞膜损伤。流式、实时细胞分析可以实时评估毒性。 贴壁细胞适合代谢类比色实验；悬浮细胞更适合流式；原代细胞比永生化细胞更加敏感。研究凋亡坏死优先选用 Annexin‑PI。必须将细胞毒性和细胞摄取数据关联，区分毒性来自纳米载体本身还是释放的游离药物。 体内生物相容性 临床前体内模型验证体外结果，理解毒性、生物分布、蓄积、排泄。常用斑马鱼、秀丽隐杆线虫、果蝇、小鼠、大鼠、兔、猪、犬。模型选择要兼顾成本、生理相似度、伦理约束。学术研究受经费限制，大多选用无脊椎动物、啮齿类。 给药途径（静脉、皮下、腹腔、瘤内、口服）决定材料分布与蓄积。ICP 定量脏器金属分布；荧光 / MRI 等成像手段跟踪清除；观察动物行为、生存状态；实验终点取组织、血液做离体组织学与生化分析。 斑马鱼胚胎透明，繁殖快，成本低，适合生殖毒性；秀丽隐杆线虫用于肠道转运；果蝇生命周期短伦理压力小；小鼠大鼠遗传背景研究充分；异种移植荷瘤小鼠用于肿瘤药效；兔子多用于眼部、皮肤、发育毒性。 统计分析：缺少对照、统计不当会得出错误结论。常用 t 检验、方差分析，显著性阈值一般 P≤0.05；GraphPad Prism、R 软件完成统计；实验设计时就要规划统计方案。 应用部分 药物递送 小分子药物递送 大量小分子药物已经利用 MOF 完成体外、离体、体内实验，包括抗癌化疗药、肺部药物、抗炎、抗病毒、抗菌、抗真菌、抗氧化、外用制剂；铂类金属药物、NO、CO、H₂S 等治疗气体。当前研究朝着多药共递送，或者药物‑成像‑治疗一体化方向发展。例如卟啉 MOF 包封低氧激活前药替拉扎明，结合上转换纳米颗粒核壳，实现光动力治疗 + 低氧化疗联合。 大分子生物分子递送 蛋白等大分子胞内递送难度大，蛋白容易被酶降解，同时很难穿透细胞膜。ZIF‑8/ZIF‑90 最常采用原位矿化包埋蛋白，MOF 外壳隔绝蛋白酶，突破孔道尺寸限制，包封效率可以超过 90%。该策略拓展到抗体、抗原储存。小分子药物如阿霉素前药包入叶酸修饰 ZIF‑8，对比游离药物，抑瘤相当但是降低脱靶毒性。CRISPR‑Cas9 蛋白‑RNA 复合物一锅封装，负载效率 17%，提升内体逃逸，实现体外基因敲除。 介孔、大孔 MOF 可以直接浸润装入蛋白，例如细胞色素 c、胰岛素。MOF 同样适合核酸递送；siRNA 接枝 UiO‑68 表面；DNA 共价、配位接枝 MOF 外表面；介孔 NU‑1000 负载 siRNA，依靠质子海绵效应实现胞质释放。 靶向递送与刺激响应释放 表面改性引入主动靶向基团、刺激响应释放单元。主动靶向引入和肿瘤细胞过表达受体互补的配体，提升胞吞效率；被动靶向依靠纳米颗粒本身理化性质在病灶富集。叶酸广泛用于肿瘤靶向；多肽、抗体、三苯基膦用于细胞器靶向。 刺激响应释放依靠 pH、光、离子、酶、核酸等触发源，触发 MOF 降解或者分子开关打开孔道，药物只在病灶位点释放。例如胰岛素负载 NU‑1000 耐胃酸，在血液 PBS 下降解释放胰岛素，用于口服糖尿病治疗；UiO‑68 包覆 ATP 响应 DNA 水凝胶，肿瘤细胞高 ATP 条件下水凝胶分解，释放阿霉素。 生物成像 MOF 实现成像的手段：SBU 引入重金属实现 CT、PET；引入顺磁离子 Mn²⁺、Gd³⁺、Fe³⁺用于 MRI；配体 / 孔道载入成像基团。MOF 多组分集成，天然适合多模态、比率成像，实现诊疗一体化，同步监测药物分布、病灶位置、治疗响应。 体外显微成像 MOF 早期用于试管内化学传感；罗丹明 B、BODIPY 标记 MOF 用于细胞荧光成像。染料限域在 MOF 孔道内，避免聚集淬灭，提升成像效率。UiO‑68 接枝荧光素用于活细胞实时 pH 传感；铜卟啉 Al‑MOF 选择性检测 H₂S；MOF‑253 检测 Fe²⁺；肽核酸修饰 UiO‑68 识别互补 RNA。 比率型成像：参考染料与传感染料共组装，归一化荧光信号，消除 MOF 分布带来的干扰。二维金属有机层 MOL 可以在 SBU、配体上同时锚定多种染料，实现比率传感，例如线粒体内部同时检测 O₂与 pH。 体外成像挑战：生理条件稳定性、毒性、细胞摄取效率，大多依赖 Zr⁴⁺、Hf⁴⁺、Zn²⁺这类氧化还原惰性 SBU。 活体宏观成像 活体成像额外要求颗粒尺寸可控、表面包覆、剂量、生物分布、药代动力学。MOF 高密度金属位点，适合 MRI、CT、PET 造影。Gd、Mn 基 MOF 用于 T1‑MRI；Fe 基 MOF 实现 T2‑加权；MOF 复合超顺磁氧化铁实现双模 MRI；重原子配体 / 金属簇实现 CT；⁸⁹Zr、⁶⁴Cu 同位素掺入实现 PET。 近红外荧光染料适合活体光学成像，同时可以实现光声成像。MOF 复合金纳米棒，实现胶质瘤小鼠模型 CT + 光声多模态，联合光热、化学动力学治疗。 注意：单纯成像 MOF 临床转化阻力远大于药物递送 MOF；成像受试者大多无疾病，安全标准极其严苛，临床试验经济成本高；MOF 更有前景的方向是诊疗一体化。 图 5｜实验室评价纳米金属‑有机框架生物学行为各类分析手段总览，附示例数据。a，体外细胞摄取与定位测定手段；b，体外细胞毒性、代谢影响测定；c，体内研究设计考量；d，体内生物分布与清除评价手段；e，动物健康、生存期、生化效应评估。CLSM：共聚焦激光扫描显微镜；ICP‑OES：电感耦合等离子体发射光谱；ICP‑MS：电感耦合等离子体质谱；MOF：金属‑有机框架；MOL：金属有机层；PI：碘化丙啶。 图 6｜纳米金属‑有机框架生物医学代表性案例。a‑d，靶向药物递送。两步组装示意图，叶酸 FA 修饰 ZIF‑8 包封阿霉素前药 CAD；荷 MDA‑MB‑231 肿瘤 NCG 小鼠体内，CAD@ZIF‑8‑FA 抑瘤效果和阿霉素 DOX 相当，但是不会出现体重下降这类脱靶副作用。e‑g，比率型传感。pH 敏感 FITC、参比染料 RITC、氧敏感 DBB‑Ru 配体共同配位到 Hf12 金属有机层 MOL；共聚焦成像观测 CT26 活细胞线粒体常氧、低氧、无氧条件；比率传感器得到线粒体 pH‑氧分压相关性。PBS 磷酸盐缓冲盐水。 图 7｜金属‑有机框架前沿生物医学应用示意图。a，MOF 介导光动力治疗 PDT 与放疗‑放射动力学 RT‑RDT 原理；b，MOF 局部治疗递送免疫治疗药物协同，实现全身性抗肿瘤应答：肿瘤致敏、免疫激活、抗原呈递、T 细胞活化。 可复现性与数据归档 可复现性是临床前研究长期存在的痛点，药物递送领域尤为突出。MOF 领域很多关注点集中在合成、BET 孔隙计算；而 MOF 药物递送更关键的是生物学实验完整描述，保障不同实验室结果可比。细胞传代次数、铺板密度等关键变量，很多论文没有写明。 不同文献细胞系、检测试剂盒、流式方案千差万别，很难横向对比；生物相容性没有统一公认定义；体外毒性不等于体内毒性，给药途径不同结果差异巨大。需要更加严格评估先导 MOF 候选物在临床前模型中的表现。 部分生物 MOF 相关论文存在学术造假；细胞系污染、错误鉴定也需要警惕。统计分析是发表最低标准，但大量文章缺失；建议原始数据公开归档，方便跨研究统计对比。孔隙领域已经开发 BET 计算软件、吸附标准文件，药物递送领域也需要类似标准；鼓励发表阴性结果、重复失败的实验。 局限性与优化策略 早期综述就指出 MOF 生物医学三大难题：稳定性、生物相容性、载药释放机理。尽管已有进展，生物流体稳定性、规模化可复现制备、监管合规、机理理解、和临床团队协作，仍然是临床转化关键。 生物介质中的不稳定，一方面是缺陷，另一方面也可以被利用，实现可控降解与清除。纳米 MOF 技术、监管壁垒很高。监管要求可放大、可复现合成与表面改性工艺，保证批次一致性。 解析靶向胞吞、刺激响应释放这类复杂界面相互作用依旧困难；大多依靠生物学活性间接推断，缺少直接观测手段。尽管大量小鼠体内实验，MOF 在生物微环境中如何演变、降解排泄机理仍然有很多未知。多步合成让制剂体系越来越复杂，对照实验设置困难，独立复现难度提升。需要和临床医生、药企合作，提升转化成功率。 单纯成像 MOF 的监管、资金壁垒比已经进入 II 期临床试验的 MOF 药物递送体系更高；成像探针受试者是健康人群，安全标准极为严苛；保险难以承担高昂临床试验成本。因此 MOF 成像探针更可能和药物递送结合，走诊疗一体化路线。 展望 MOF 药物递送方向论文数量持续指数增长。MOF 不应当仅仅被视为载体骨架；很多 SBU、配基本身具备固有治疗活性，在光、X 射线、γ 射线外部刺激下发挥作用。MOF 是开发新型纳米敏化剂、整合多种治疗模式（光动力、放疗、免疫治疗）的优秀平台。 卟啉、酞菁光敏剂存在水溶性差、聚集淬灭问题；把它们作为配体、SBU、孔道客体引入 MOF 可以解决，在体内实现 I 型、II 型光动力治疗。光的组织穿透深度有限，但 X 射线临床广泛用于深部肿瘤。铪‑卟啉 MOF 可以作为纳米放射增敏剂，依靠重金属 SBU 捕获 X 射线，激发光敏组分产生 ¹O₂，实现放疗‑放射动力学 RT‑RDT 协同抑制肿瘤。该体系对应的第一款 MOF 药物 2018 年进入 I 期，评估晚期实体瘤安全性和初步药效，目前处于复发性头颈部肿瘤 II 期临床试验。 MOF 介导的 PDT/RT‑RDT 可以联合免疫治疗；诱导免疫原性细胞死亡，释放肿瘤抗原，激活 T 细胞浸润；联合免疫检查点阻断，在小鼠模型产生远隔效应，实现全身抗肿瘤免疫。MOF 可以递送小分子、大分子免疫激动剂、肿瘤疫苗，构建全新治疗体系。第二款 MOF 候选物正在开展放疗联合免疫治疗 I 期人体临床试验。 MOF 还有其他潜在生物方向：孔道内保存抗原，实现疫苗常温储存，摆脱冷链；铝基 MOF 同时作为载体 + 佐剂；ZIF‑8 也被证实可以触发免疫应答。除了全身给药，还在研究其他给药方式：ZIF 包覆脂质体可以弹道递送完整脂质体进入猪皮肤，实现蛋白、DNA 质粒递送，提供非注射给药新途径。 MOF 化学多功能性、易于功能化，使其可以构建多功能纳米医药平台。随着第一批 MOF 体系推进人体临床试验，生物医学已经成为 MOF 最重要商业化方向之一。通过针对特定生物应用合理裁剪设计与功能改性，MOF 有巨大潜力，在疾病预防、诊断、治疗层面为人类健康带来积极影响。 文章总结 本文为 Nature Reviews Methods Primers 教程综述，面向生物医用金属‑有机框架领域，系统建立一套从材料合成、后修饰、载药、理化表征，到体外细胞、体内动物实验的标准化实验框架。文章点明该领域普遍存在可重复性差、对照缺失、生物介质稳定性不足的现实痛点，详细剖析不同载药、药物释放测试方法的固有实验假象。梳理 MOF 在药物递送、多模态生物成像的研究现状，介绍光动力学、放射‑放射动力学、免疫联合治疗等新兴方向，提及已有 MOF 进入 II 期临床。最后指出规模化制备、长期生物安全性、监管合规仍是临床转化主要障碍，倡导完整原始数据归档、重视阴性结果，为后续生物 MOF 研究提供权威实践指南。 📜 文章链接： https://doi.org/10.1038/s43586-024-00320-8